楔橫軋技術(shù)的發(fā)展與展望

編號(hào)：時(shí)間：2021年x月x日書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟頁碼：第頁楔橫軋技術(shù)的發(fā)展與展望1.楔橫軋技術(shù)的發(fā)展歷史1.1楔橫軋的工作原理及特點(diǎn)用兩個(gè)裝在同向旋轉(zhuǎn)的軋輥上的楔形模具，在楔形模具的楔形凸起的作用下帶動(dòng)軋件旋轉(zhuǎn)，并使毛坯產(chǎn)生連續(xù)局部小變形，最終軋制成楔形孔型的各種臺(tái)階軸。楔橫軋的變形主要是徑向壓縮，軸向延伸。圖1楔橫軋?jiān)韴D2楔橫軋方式楔橫軋工藝特點(diǎn):1)具有高的生產(chǎn)效率:生產(chǎn)效率可達(dá)10件/分鐘；2)材料利用率高:材料利用率可達(dá)90%以上；3）模具壽命高:模具壽命是模鍛工藝模具壽命的10倍以上；4）產(chǎn)品質(zhì)量好:產(chǎn)品精度可達(dá)鋼質(zhì)模鍛件國家標(biāo)準(zhǔn)中的精密級(jí)，直徑方向可達(dá)±0.3mm長度方向±0.5mm。1.2楔橫軋零件的應(yīng)用楔橫軋工藝主要適用于帶旋轉(zhuǎn)體的軸類零件的生產(chǎn)，如汽車、拖拉機(jī)、摩托車、內(nèi)燒機(jī)等變速箱中的各種齒輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸、球頭銷等。它不僅可以代替粗車工藝來生產(chǎn)各種軸類另件、而且亦可以為各種模鍛零件提供精密的模鍛毛坯。一般一種產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)規(guī)模批量應(yīng)達(dá)到年產(chǎn)7萬件以上.。圖3.楔橫軋軋件1.3發(fā)展歷程早在十九世紀(jì)，人們就開始探討用楔橫軋的方法生產(chǎn)軸類零件，但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制一直使此項(xiàng)工藝未能用于生產(chǎn)。直到上世紀(jì)六十年代，隨著捷克斯洛伐克在萊比錫國際博覽會(huì)上的展出，才引起了世界各國科學(xué)工作者的廣泛重視，從而使楔橫軋技術(shù)成為世界上眾所周知的軸類零件加工新工藝。之后，英德日本以及前蘇聯(lián)等國相繼對(duì)此技術(shù)進(jìn)行開發(fā)研究，不僅從其變形機(jī)理，而且在工藝參數(shù)、裝備上也進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定的成果，并不斷運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)之中。目前，國外用楔橫軋工藝生產(chǎn)的軸類另件己達(dá)百種，其工藝裝備也得到了長足發(fā)展我國從1963年起，國內(nèi)幾所大學(xué)及科研院所就開始進(jìn)行了這方面的探討與試驗(yàn)工作，直到上世紀(jì)七十年代初才獲得了汽車球頭銷的楔橫軋工藝的初步成功。到八十年代未九十年代初，象木鑿、五金扳手毛坯等較簡單零件才逐步用于工業(yè)生產(chǎn)。隨著對(duì)楔橫軋技術(shù)的不斷深入研究、使此項(xiàng)技術(shù)得到了不斷發(fā)展，從而也使其越來越得到了工業(yè)企業(yè)的廣泛重視。目前，國內(nèi)至少建立了幾十條楔橫軋生產(chǎn)線，用此工藝生產(chǎn)的零件也有近百種，如汽車齒輪箱中的一軸、二軸、中間軸，發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸等零件以及為連桿、汽車半軸提供精密鍛坯等。2.楔橫軋?jiān)O(shè)備的種類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.1楔橫軋?jiān)O(shè)備的種類目前，國內(nèi)外有近十幾種規(guī)格型號(hào)的楔橫軋?jiān)O(shè)備，但其基本類型如圖所示.?；⌒问叫M軋機(jī)部件雙輥式楔橫軋機(jī)板式楔橫軋機(jī)圖4楔橫軋機(jī)基本類型2.1.1弧形式楔橫軋機(jī)弧形式楔橫軋機(jī)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、造價(jià)低，只需驅(qū)動(dòng)一個(gè)軋輥，而不需分速機(jī)構(gòu)以及萬向聯(lián)軸器、相位調(diào)整機(jī)構(gòu)等。但是由于該機(jī)構(gòu)具有無法加導(dǎo)向板、工藝調(diào)整困難、不易穩(wěn)定致使產(chǎn)品精度難以控制以及一支內(nèi)弧形的楔形模具不易加工制造等嚴(yán)重缺點(diǎn)，因此此種類型軋機(jī)應(yīng)用較少。2.1.2雙輥式楔橫軋機(jī)雙輥式楔橫軋機(jī)由于具有生產(chǎn)效率高、調(diào)整方便、工藝穩(wěn)定以及模具加工制造相對(duì)容易等特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的楔橫軋機(jī)。此種軋機(jī)國外以捷克ＵＬ型和前蘇聯(lián)ＪＩ型為典型代表。2.1.3板式楔橫軋機(jī)板式楔橫軋機(jī)是依靠兩個(gè)裝有楔形模具的軋板做往復(fù)相向運(yùn)動(dòng)從而使軋件軋制成形的一種軋機(jī)，這種軋機(jī)其突出特點(diǎn)是模具制造容易。其驅(qū)動(dòng)方式多為液壓傳動(dòng)，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低。2.2雙輥式楔橫軋?jiān)O(shè)備2.2.1前蘇聯(lián)ＪＩ型ＪＩ型為分體式楔橫軋機(jī)，機(jī)架為開式，機(jī)架蓋靠拉桿及斜楔與機(jī)架連接，減速機(jī)靠萬向聯(lián)軸器與主機(jī)連在一起，因此占地面積大，無制動(dòng)器離合器。它主要用于軋制大中型軸類另件。圖5ＪＩ型楔橫軋機(jī)表1ＪＩ型楔橫軋機(jī)主要參數(shù)[1]規(guī)格參數(shù)JI-650JI-800JI-1000軋輥直徑/ｍｍ6508001000軋輥長度/mm600750750軋件最大直徑/mm5080100軋件最大長度/mm550700700軋輥轉(zhuǎn)速/r.min-118.50~2314電機(jī)功率/kW5580100軋機(jī)重量/ｔ152532外形尺寸（長X寬X高）/m3.5X1.8X2.44.9X3.0X3.47.0X3.0X3.42.2.2捷克ＵＬ型軋機(jī)主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、帶有離合器和制動(dòng)器調(diào)整方便，便于與模鍛成型配線使用。2.2.3型分體式雙輥楔橫軋機(jī)。這種軋機(jī)的工作機(jī)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是分開的，中間通過萬向聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。沒有安裝離合器，因此機(jī)器只有連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式，多進(jìn)行正面上料；通過變頻調(diào)速也可進(jìn)行軸向送料。調(diào)整工作軋輥端部機(jī)構(gòu)，可以方便的實(shí)現(xiàn)軸向和相位的調(diào)整。工作機(jī)構(gòu)機(jī)身多為鑄鋼結(jié)構(gòu)并加預(yù)應(yīng)力安裝，故機(jī)身剛度大，軋件尺寸精確，該機(jī)還據(jù)有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于結(jié)構(gòu)分置、占地面積大，因而不太適合與模鍛生產(chǎn)線配套使用。該種軋機(jī)在我國應(yīng)用普遍，其主要用于生產(chǎn)各種汽車臺(tái)階軸等。圖6ＵＬＳ100型雙輥楔橫軋機(jī)表2ＵＬ型楔橫軋機(jī)主要參數(shù)[1]規(guī)格參數(shù)ＵＬ35ＵＬＳ100ＵＬＤ55軋輥直徑/ｍｍ6001000600軋輥長度/mm400800500軋件最大直徑/mm4010055軋件最大長度/mm320750450軋輥轉(zhuǎn)速/r.min-110~150~98~6電機(jī)功率/kW40/6015855軋機(jī)重量/ｔ9.445外形尺寸（長X寬X高）/m6.5X1.5X3.26.4X3.3X3.82.95X1.69X2.86圖7Ｈ型分體兩輥式楔橫軋機(jī)表3Ｈ型軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)[5]規(guī)格參數(shù)H500H630H800H1000H1200軋輥中心距/mm520660800-850980~10601160~1250軋輥直徑/ｍｍ500630/70080010001200軋輥長度/mm4505007008001200軋件最大直徑/mm3030/5080100120軋件最大長度/mm4004506008001000軋輥轉(zhuǎn)速r.min-112/158/126/966軋輥相位角調(diào)整量/°±3±3±3±3±3電機(jī)功率/kW30406095150軋機(jī)重量/ｔ693448752.2.4D46系列整體兩輥式楔橫軋機(jī)D46系列軋機(jī)的工作機(jī)構(gòu)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)合為一體。因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、外形美觀占地面積小等特點(diǎn)。由于裝有制動(dòng)器和離合器，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、半自動(dòng)單次及調(diào)整等工作模式；通過上置式蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，上軋輥可實(shí)現(xiàn)上下直線移動(dòng)以調(diào)節(jié)軋輥間距。下軋輥通過齒輪箱中的相位調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以調(diào)整模具的相位；軋機(jī)據(jù)有的超負(fù)荷保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)器的安全保護(hù)。該種軋機(jī)不僅可以軋制各種大中型軸類零件，而且還可以做為模鍛生產(chǎn)線上的制坯設(shè)備，為模鍛工序提供精確毛坯圖8整體兩輥式楔橫軋機(jī)表4D46系列軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)[5]規(guī)格 參數(shù) D46-315D46-400D46-500D46-630D46-800D46-1000D46-1250軋輥中心距/mm31540050063080010001250軋輥直徑/ｍｍ250320400500630780980軋輥長度/mm2503004005006508001200軋件最大直徑/mm1525355080100130軋件最大長度/mm2302803504506007501100軋輥轉(zhuǎn)r.min-112/1612/1610/1410/148/126/106/10軋輥中心距調(diào)整量/mm≥±8≥±10≥±12≥±15≥±20≥±25≥±30軋輥相位角調(diào)整量/°≥±3電機(jī)功率kW7.5~1515~2222~3030~4555~7575~110110~160圖9D46整體兩輥式楔橫軋機(jī)2.3平板式楔橫軋?jiān)O(shè)備板式楔橫軋機(jī)是依靠兩個(gè)裝有楔形模具的軋板做往復(fù)相向運(yùn)動(dòng)從而使軋件軋制成形的一種軋機(jī)，這種軋機(jī)其突出特點(diǎn)是模具制造容易。其驅(qū)動(dòng)方式多為液壓傳動(dòng)，因此具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低圖10德國立式板式楔橫軋機(jī)圖11白俄羅斯臥式板式楔橫軋機(jī)47系列平板式楔橫軋機(jī)Ｄ47系列軋機(jī)是水平放置的，即在機(jī)架中裝有上、下兩個(gè)水平放置且工作面相向的平板軋板，由油缸和齒輪、齒條機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩個(gè)軋板作左右相向往復(fù)運(yùn)動(dòng),其中一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)為工作行程，另一個(gè)為空行程。如圖9所示。由于水平放置，可以不加導(dǎo)板，故適合軋制較細(xì)小軋件；模具由分段組合式平板軋模組成，故加工簡單，可整體率火，模具壽命高。但由于該機(jī)為液壓傳動(dòng)，帶有較大的液壓站，并和主機(jī)分開放置，故占地面積較大，并且有上下軋板間距調(diào)整較為困難，修模不方便等缺點(diǎn)。目前我國應(yīng)用的平板軋機(jī)最大軋件直徑不超過φ60。表5D47系列軋機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)規(guī)格參數(shù)D47-25X300D47-32X350D47-50X450D47-63X550可軋坯料最大直徑/mm25325063可軋工件最大長度/mm300350450550軋板工作部分寬度/mm350430600780軋板長度/mm1000125016002000軋板間距離/mm6080100130軋板間距調(diào)整量/mm15152025油缸行程/mm1060132016802140工作次數(shù)/r.min-1131186電機(jī)功率kW22302X22圖12Ｄ47系列平板式楔橫軋機(jī)3.楔橫軋工藝參數(shù)及模具設(shè)計(jì)3.1楔橫軋工藝的主要參數(shù)楔橫軋變形是在模具壓力作用下，從軋件與模具接觸的表面開始的，隨著壓下量的增加，塑性變形不斷向里滲透，直到內(nèi)部也產(chǎn)生塑性變形。隨著模具的旋轉(zhuǎn)，這樣的變形將在軋件的整個(gè)斷面上連續(xù)。楔橫軋變形在軸向方向隨著楔形的展寬逐漸移動(dòng)，軋件中部在楔入開始時(shí)為變形區(qū)，隨后變形區(qū)一分為二，中間段變?yōu)橐炎冃螀^(qū)，并逐漸擴(kuò)大。圖12軋制成行過程楔展角β:是指兩個(gè)成形楔之間的夾角，通常用β表示4°≤β≤12°成形角α：是指成形面與基面之間的水平夾角,通常用α表示。15°≤α≤35°斷面縮減率：式中，d0和d1分別為軋件原始直徑與思后直徑。一次軋制斷面縮減率應(yīng)小于75%。對(duì)于產(chǎn)品直徑差較大，ψ＞75%時(shí)，應(yīng)考慮分兩次成形，這兩次成形可在軋機(jī)旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)同時(shí)完成。軋件旋轉(zhuǎn)條件摩擦系數(shù)截齊曲線3.2楔橫軋工藝主要產(chǎn)生的軋制缺陷軋件內(nèi)部產(chǎn)生疏松與空洞(曼內(nèi)斯?jié)M效應(yīng)):這主要是由于軋制工藝的參數(shù)不合適,并且軋制過程中軋件內(nèi)部的組織反復(fù)受交變應(yīng)力的影響等引起這是軋件的最嚴(yán)重缺陷，是不允許的端頭凹心軋件拉縮、拉細(xì)軋件表面產(chǎn)生螺旋痕3.3楔橫軋模具的設(shè)計(jì)及加工3.3.1模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

軸向力平衡

模具作用到工件上的軸向力應(yīng)平衡，確保工件不產(chǎn)生左右竄動(dòng)。對(duì)稱軋制可實(shí)現(xiàn)軸向力平衡。非對(duì)稱工件盡量兩件一同成形，可實(shí)現(xiàn)對(duì)稱軋制并提高生產(chǎn)率。如無法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱軋制時(shí)應(yīng)適當(dāng)設(shè)計(jì)模具使軸向力接近平衡。

滿足旋轉(zhuǎn)條件

工件旋轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)楔橫軋的必要條件。影響工件旋轉(zhuǎn)的有模具幾何參數(shù)和模具與工件間的摩擦系數(shù)等因素。其中摩擦系數(shù)的影響最大。增大摩擦有利于工件旋轉(zhuǎn)，模具成形面粗糙化是使工件旋轉(zhuǎn)的最有效手段。

不產(chǎn)生拉縮

保證成形成過程中不因軸向力過大而使軋件出現(xiàn)拉縮，產(chǎn)生細(xì)頸。變形量過大，成形角α和楔展角β過大都使軸向力過大，易于產(chǎn)生拉縮現(xiàn)象。

內(nèi)部不產(chǎn)生疏松

軋制時(shí)易出現(xiàn)的曼乃斯曼效應(yīng)即產(chǎn)生疏松應(yīng)予以重視。綜合考慮工藝參數(shù)與變形參數(shù)的組合，可有效的防止出現(xiàn)疏松。3.3.2模具的加工模具的材料：5CrMnMo5CrNiMoZG55熱處理要求：調(diào)質(zhì)處理，硬度HRC30~36模具壽命：一次修模20萬次，可修2~3次傳統(tǒng)加工:普通車床:通過選擇掛輪來獲的所要求的螺距。數(shù)控車床:現(xiàn)代加工方法：二維設(shè)計(jì)→三維造型→生成加工代碼→數(shù)控加工中心4.楔橫軋技術(shù)的發(fā)展展望4.1工藝技術(shù)的發(fā)展4.4.1進(jìn)一部研究軋件在軋制過程中的受力模型以及金屬在軸向轉(zhuǎn)移規(guī)律與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為多楔軋制以及偏心軋制提供理論依據(jù)。4.4.2楔橫軋模具設(shè)計(jì)的CAD技術(shù)的應(yīng)用利用開發(fā)的楔橫軋模具設(shè)計(jì)的CAD軟件,不僅使模具的設(shè)計(jì)變的簡單，而且還可獲的三維圖形，生成加工代碼，可直接輸入到數(shù)控加工中心，進(jìn)行模具的加工，這樣可極大的提高設(shè)計(jì)和加工效率。圖13楔橫軋二維模具工程圖圖14楔橫軋三維模具圖4.4.3楔橫軋工藝數(shù)值模擬與物理模擬利用有限元技術(shù)，對(duì)楔橫軋工藝可進(jìn)行數(shù)值模擬以得到軋件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變場信息，不同工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場的影響。這對(duì)于認(rèn)識(shí)楔橫軋工藝過程中材料的流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化模具參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)指導(dǎo)。圖15楔橫軋成型過程模擬圖4.2設(shè)備的發(fā)展4.4.1設(shè)計(jì)新機(jī)器結(jié)構(gòu)，滿足軋件不同要求。如平板式楔橫軋模由于其加工簡單（只需傳統(tǒng)刨銑工序）越來越受到人們的重視，因此，改進(jìn)目前平板軋機(jī)的功能結(jié)構(gòu)，應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。采用斜楔式蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)軋板間距的調(diào)整；實(shí)現(xiàn)上軋板可移出式結(jié)構(gòu)可方便修模；采用雙工位軋模布置結(jié)構(gòu)，以避免空行程，提高生產(chǎn)率；使兩軋板垂直放置或成45°角方置，不盡有利于氧化皮的清除，而且有利于出料。平板楔橫軋機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是保證兩軋板絕對(duì)同步、間隙調(diào)整方便而結(jié)構(gòu)不易復(fù)雜。4.4.2完善功能部件，提高產(chǎn)品的整體性能。目前所開發(fā)的楔橫軋?jiān)O(shè)備，基本具備了楔橫軋工藝對(duì)設(shè)備的要求，如為了保證軋件徑向尺寸，兩軋輥間距可以調(diào)整，為了使上下模具型槽一致，可以調(diào)整軋輥相位等。這些參數(shù)的調(diào)整都是在試軋之后